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Comment fabriquer une cellule photovoltaïque ?
III- Principe d’une cellule photovoltaïque Les cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir d’une jonction PN au silicium (diode). Pour obtenir du silicium dopé N, on ajoute du phosphore. Ce type de dopage permet au matériau de libérer facilement des électrons (charge -). Pour obtenir du silicium dopé P, on ajoute du bore.
Quelle est la puissance de crête d’un panneau photovoltaïque ?
Les constructeurs spécifient toujours la puissance de crête d’un panneau photovoltaïque. Cependant, cette puissance est rarement atteinte car l’éclairement est souvent inférieur à 1000W/m² et la température des panneaux en plein soleil dépasse largement les 25°C. VI- Groupements de cellules
Qu'est-ce que l'énergie solaire photovoltaïque ?
L’énergie solaire photovoltaïque est une forme d’éénergie renouvelable. Elle permet de produire de l’électricité par transformation d’une partie du rayonnement solaire grâce à une cellule photovoltaïque . P lumineuse P électrique pertes
UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI-OUZOU
Faculté de Génie Electrique et Informatique
Département
Electronique
Mémoire
MASTER ACADEMIQUE
Domaine : Sciences et technologies
Filière : Génie électrique
Spécialité : Matériaux et Dispositifs Electroniques et PhotovoltaïquesPrésenté par
M elleDJELLOUT Thileli
M elleMAKOUR Sarah
Thème :
Devant le jury composé de :
M rYoucef ATTAF
MCB UMMTO Président M elleDalila
HOCINE MCA UMMTO Encadreur M elle Djedjega HATEM MCA UMMTO ExaminatriceMémoire soutenu publiquement le 04/07/ 2017
Etude de l"effet de la température et de l"éclairement sur les performances des modules photovoltaïques à base de silicium amorphe.Remerciements
Nous tenons
à remercier mademoiselle HOCINE Dalila maître de conférences A à l'université Mouloud MAMMERI de Tizi-Ouzou de nous avoir encadré et proposé le thème de ce mémoire ainsi que son aide précieuse pour bien mener ce travail. Nous voudrons remercier les membres du jury de leur présence et d'avoir acceptédévaluer leur et examiner ce travail. Nous adressons nos sincères remerciements à tous nos enseignants qui ont participé à notre formation.Tout notre
respect et notre gratitude à tous ceux qui ont contribué de prêt ou de loin à la réalisation de ce travail.Dédicaces
On dédie ce travail à tous ceux qui nous sont très chers plus particulièrement à :Nos chers parents
Nos frères et nos soeurs
Toutes nos familles et tous nos amis (es)
MAKOUR Sarah et DJELLOUT Thileli
Sommaire
Sommaire
Introduction général ............................................................................. 1
Chapitre I :
Etude des propriétés du silicium amorphe
Introduction .......................................................................................................................... 4
1.Le silicium comme matériau de base
pour le photovoltaïque ........................................... 41.1Le silicium monocristallin ........................................................................................... 4
1.2 Le silicium multicristallin........................................................................................... 5
1.3 Le silicium amorphe ................................................................................................... 6
1.4 Le silicium amorphe hydrogéné ................................................................................ 7
1.4.1 Le rôle de l'hydrogène ............................................................................................ 7
1.4.2 Structure du silicium amorphe hydrogéné ............................................................... 8
2.Propriétés électroniques et optiques du silicium amorphe ................................................ 9
2.1 Propriétés électroniques ............................................................................................. 9
2.2 Propriétés optiques .................................................................................................... 10
3. Avantages et inconvénients du silicium amorphe ........................................................... 12
3.1 Avantages du silicium amorphe hydrogéné .............................................................. 12
3.2 Inconvénients du silicium amorphe hydrogéné ........................................................ 13
4. Effet de la température sur le silicium amorphe .............................................................. 13
5. Performances des cellules au silicium amorphe
.............................................................. 145.1 Absorption optique et réponse spectrale ................................................................... 14
5.2 Performance à fort éclairement ................................................................................. 15
5.3 Performances à faible éclairement ............................................................................. 16
6. L'effet Staebler-Wronski ................................
177. Les méthodes d'élaboration du silicium amorphe hydrogéné ........................................ 18
7.1 La pulvérisation cathodique ...................................................................................... 18
7.2 La pulvérisation magnétron ....................................................................................... 19
7.3 Technique d'évaporation sous vide ............................................................................ 20
7.4 Le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) ............................ 21
Conclusion ........................................................................................................................... 22
Sommaire
Chapitre II : Physique des cellules solaires à base de silicium amorpheIntroduction
............................................................................................................. 23
1-Energie renouvelable .......................................................................................... 23
2-Rayonnement solaire ............................................................................................ 23
2-1-Le rayonnement direct .................................................................................. 23
2-2-Le rayonnement diffus .................................................................................. 23
2-3-L'albédo ........................................................................................................ 24
2-4-Le rayonnement global ................................................................................. 24
3-Masse d'air .......................................................................................................... 25
4-L'effet photovoltaïque ......................................................................................... 26
5-Structure d'une cellule PV ................................................................................... 27
5-1-Couche d'interface avec l'extérieur .............................................................. 27
5-2-Couche antireflet .......................................................................................... 27
5-4-Contacts ......................................................................................................... 29
a.Contactsupérieur ......................................................................................... 29
b.Contact inférieur ........................................................................................... 30
6-Circuit électrique équivalent ............................................................................... 30
6-1-Cas d'une cellule solaire idéale .................................................................... 31
6-2-Cas d'une cellule réelle ................................................................................. 31
7 -2- Influence de la résistance parallèle R p .................................................................................... 329
-Paramètres photovoltaïques de la cellule solaire ................................................. 33
9-1-Le courant de court- circuit ࡵࢉࢉ ................................................................... 34
9-2-La tension du circuit-ouvert ࢂࢉ .................................................................. 34
9-3-La puissance maximale ࡼ ......................................................................... 35
9-4-Le facteur de forme ࡲࡲ ................................................................................. 35
9-5- Le rendement .............................................................................................. 35
9 -5-1-Types et rendements des cellules photovoltaïques ............................... 36 10 - Structure d'une cellule solaire en silicium amorphe hydrogéné a-Si: H .......... 38a.Jonction p-i-n ................................................................................................... 39
b.Modules à multiples jonctions ......................................................................... 40
11 -Principe de fonctionnement d'une cellule solaire de structure p-i-n ................. 41 12-Fabrication d'une cellule solaire ........................................................................ 43
Sommaire
Conclusion
............................................................................................................... 44
Chapitre III : Caractérisation des modules PV à base de silicium amorpheIntroduction
............................................................................................................ 45
1.Constitution des panneaux
photovoltaïques ......................................................... 452.Assemblage des cellules solaire (série, parallèle, série-parallèle) ....................... 48
2.1 Association en série ...................................................................................... 48
2.2 Association en parallèle ................................................................................. 49
2.3 Associatio
n hybride (en série/parallèle) ........................................................ 493.Caractéristiques d'un module solaire .................................................................. 50
a.Caracté ristique courant-tension (I-V) ............................................................... 50 b.Tension de circuit ouvert ................................................................................. 51
c.Courant de court-circuit .................................................................................... 52
d.Caractéristique puissance-tension (P-V) ......................................................... 52
4.Description de la plateforme de caractérisation de modules PV utilisée ............ 53
4.1 Partie extérieure
.......................................................................................... 53 4.2Partie intérieure .............................................................................................. 56
Conclusion
.............................................................................................................. 58
Chapitre IV : Résultats et interprétation
Introduction
............................................................................................................. 59
Influence de l'irradiation
........................................................................................ 591.1 Tracé des caractéristiques I (V) et P (V) à T=42.5°C .................................... 59
1.2 Tracé des caractéristiques I (V) et P(V) à T=23.8°C .................................... 61
Influence de la température .................................................................................... 64
2.1 Tracé des caractéristiques I (V) et P(V) à E=700 W/m² ................................ 65
2.2 Tracé des caractéristiques I (V) et P (V) à E=150 W/m² ............................... 67
Conclusion
............................................................................................................... 68
Conclusion générale ............................................................................ 69
Liste des figures
La liste des figures
Chapitre I :
Figure 1:Méthode de Czochralski
......................................................................................... 5Figure 2:Image d'un substrat de silicium multicristallin ...................................................... 6
Figure 3:Structure du silicium cristallin (c-Si) et amorphe (a-Si) .......................................... 7
Figure 4:La structure du silicium amorphe hydrogéné ........................................................ 8
Figure 5:Diagrammes de bande du ..................................................................................... 9
Figure 6:Coefficient d'absorption(cm
-1) en fonction de l'énergie ..................................... 11Figure 7: Comparaison des coefficients d'absorption du silicium amorphe, microcristallin et cristallin
............................................................................................................................................. 11
Figure 8: Production comparée du silicium amorphe et du silicium cristallin dans divers situations
climatiques .......................................................................................................................... 14
Figure 9:Réponses spectrales des différents types de cellules solaires1 ............................. 5
Figure 10:Caractéristiques courant-tension comparées d'une cellule au silicium amorphe et d'une
cellule au silicium cristallin (sous 1000w/m2 conditions STC) ............................................ 15
Figure 11:Courbes I(V) d'une photopile au silicium amorphe sous faible éclairement fluorescent............................................................................................................................................. 17
Figure 12:Principe général de fonctionnement de la pulvérisation cathodique ................. 19
Figure 13: Structure d'une cathode magnétron circulaire .................................................. 20
Figure 14:Bâti de dépôt par évaporation thermique sous vide .......................................... 21
Figure 15:Représentation schématique d'un système de dépôt par PECVD ...................... 22
Chapitre II :
Figure 1: Composantes de rayonnements solaires au sol ........................................ 24Figure 2:Définition de l'Air Mass ........................................................................... 25
Figure 3: Effet photovoltaïque (PV) ........................................................................ 27
Figure 4:Texturation de la surface d'une cellule solaire ......................................... 29
Figure 5: Schéma équivalent d'une cellule solaire idéale ....................................... 31
Figure 6:Schéma équivalent d'une cellule solaire réelle ......................................... 32
Figure 7:Caractéristique courant
-tension sous obscurité et sous éclairement d'une cellulesolaire ...................................................................................................................... 33
Figure 8:Point maximal de puissance d'une cellule élémentaire ............................ 34 Figure 9:Les images de différents types de cellules photovoltaïques ..................... 37Figure 10:Ar-chitecture d'une jonction p-i-n .......................................................... 39
Figure 11: (a) la jonction p-n n'a pas de caractère redresseur dans le cas de a -Si :H, (b) lastructure pin présente un effet redresseur ................................................................ 40
Figure 12:Module d'une cellule à jonction multiple ............................................... 41
Liste des figures
Figure 13:Principe de
fonctionnement d'une cellule solaire en silicium amorphe . 42Chapitree III :
Figure 1: Structure d'un module photovoltaïque au silicium amorphe .... .......................45 Figure 2 :Mise en série des cellules d'un module au silicium amorphe.. ........................46 Figure 3: Caractéristique résultante d'un groupement en série de n s cellules identiques ....48 Figure4:Caractéristique résultante d'un groupement en parallèle de np cellules Figure 5:Caractéristique résultante d'un groupement hybridede (n s +n p ) cellules identiques.................................................................................................................. .......................50
Figure 6: Caractéristique courant-tension ................................................. ......................51
Figure 7: Test de tension en circuit ouvert ................................................ ......................52
Figure 8: Test de tension en court-circuit .................................................. ......................53
Figure 9: Caractéristique puissance
-tension .............................................. ......................54 Figure 10: Partie extérieure de la plateforme de caractérisation PV installée à l'UDES contenant les modules PV et les différents capteurs (Eclairement et Température)............54Figure 11: Pyranomètre Kipp&Zonen CMP11 ......................................... ..................... 56
Figure 12: Capteur PT 100 collé su
r le dos du module PV sous test ........ .....................56 Figure 13:Partie intérieure de la plateforme de caractérisation PV de l'UDES:a) armoire de multiplexage, b) unite agilent 34972A, charge électronique PVPM et PC avec EXCEL ... ..................................57Chapitre IV
Figure 1: Caractéristiques courant/tension sous différents niveaux d'irradiations, à fortséclairements, à T=42.5°C ........................................................................ ........................60
Figure 2:Courbes puissance
tension sous différents niveaux d'irradiations, à fortséclairements, à T=42.5°C ........................................................................ ........................61
Figure 3:Caractéristiques I-V sous différents niveaux d'irradiations, à faibles éclairements, à
T=23.8°C ................................................................................................. ........................63
Figure 4:Courbes puissance
tension sous différents niveaux d'irradiations, à faibleséclairements, à T=23.8°C ........................................................................ ........................63
Figure 5: Courbes courant
tension sous différentes températures (à hautes températures) àE=700W/m² ............................................................................................. ........................65
Figure 6:Courbes puissance-tension sous différentes températures (à hautes températures) à
E=700 W/m² ............................................................................................ ........................65
Figure 7:Courbes courant
tension sous différentes températures (à basses températures) àE=150 W/m². ........................................................................................... ........................67
Figure 8 : puissance-tension sous différentes températures (à basseses températures) à
E=150W/m² ............................................................................................. .........................67
Liste des tableaux
Liste des tableaux
Chapitre II
Tableau 1:Les différents types des cellules avec leur rendement ............................................ 36
Chapitre IV
Tableau 1: Relevé des mesures effectuées avec le panneau solaire au silicium amorphe à forts
éclairements. ............................................................................................................................. 60
Tableau 2: Relevé des mesures effectuées avec le panneau solaire au silicium amorphe àfaibles éclairements. ................................................................................................................. 62
Tableau 3: Relevé des mesures effectuées avec le panneau solaire au silicium amorphe pourles hautes températures. ............................................................................................................ 64
Tableau 4: Relevé des mesures effectuées avec le panneau solaire au silicium amorphe pourles basses températures. ............................................................................................................ 66
Mots clés :
Photovoltaïque
UDES Eclairement Température ModuleCellule solaire Technologie Silicium Amorphe Hydrogène Structure
Défauts
Caractéristique
Courant
Tension
Puissance
Méthodes de dépôt série parallèle Rendement .Résumé
Résumé
Le travail développé dans ce mémoire concerne l'étude de l'effet de la température et de
l'éclairement sur les performances des modules photovoltaïques (PV) à base de silicium amorphe. En effet, le rendement de conversion des modules PV est différent du rendement dans les conditions standard, et dépend principalement de l'éc lairement et de la température qui sontdes paramètres variables au cours de l'année et de la journée. L'étude du fonctionnement de
ces modules, en conditions réelles d'utilisation, est donc une nécessité. Dans ce sens, nous avons effectué la caractérisation des panneaux photovoltaïques au silicium amorphe, dans les conditions réelles d'utilisation, en utilisant la plateforme decaractérisation de modules PV automatisée installée à l'UDES (Unité de Développement des
Equipement Solaires).
Nous avons effectué plusieurs mesures, en temps réel, pendant une journée d'hiver et une autre d'été, qui nous ont permis d'obtenir les caractéristiques I (V) et P (V) et d'évaluerainsi la production électrique du panneau PV en fonctionnement pour différentes températures
(hautes et basses températures) et irradiances solaires (forts et faibles éclairement).L'analyse des résultats de
caractérisation du panneau PV au silicium amorphe montrent que :La puissance électrique fournie par les modules PV au silicium amorphe augmente avec l'augmentation de l'ensoleillement.
Pour les forts éclairements
, c e s m odul e s c ont i nue nt dé l i vr e r un e forte puissance même pour une irradiance inférieure à 1000 W/m².Pour les faibles éclairements (intensité lumineuse < 200 W/m²), les modules PV au silicium amorphe continuent à produire de l'électricité avec une puissance électrique très supérieure à celle des modules au silicium cristallin.
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